電氣控制與PLC自動售貨機的控制設(shè)計

1、電氣控制技術(shù)課程設(shè)計題 目:自動售貨機的控制設(shè)計院系名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：電氣F1201學(xué)生姓名：鄒海宏學(xué) 號：2 _指導(dǎo)教師：王艷芳成績:指導(dǎo)老師簽名: 日期:電氣控制與PLC課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名鄒海宏專業(yè)班級電氣F1201學(xué)號 2題 目自動售貨機的控制設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬課題指導(dǎo)教師王艷芳主要內(nèi)容運用所學(xué)的理論知識，進行自動售貨機運行原理設(shè)計、硬件、軟件系 統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容包括：1. 設(shè)計出硬件系統(tǒng)的接線圖、梯形圖等；2. 系統(tǒng)有啟動、停止功能；3. 運用功能指令進行PLC控制程序設(shè)計；4. 進行系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)自動售貨機的控制要求。任務(wù)要求第1天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)和要求，

2、針對課題查閱技術(shù)資料。第2天：確立方案，初步選定各部分框圖。第3-4天：電路控制原理設(shè)計，軟件編程，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。第5天：撰寫課程設(shè)計報告。主要參 考資料1 程憲平主編機電傳動與控制M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.2 鄧星鐘.機電傳動控制M.武漢：華中科技大學(xué)出版社.3 王永華編.現(xiàn)代電氣控制和PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天 出版社，20084 殷洪義主編.可編程控制器選擇設(shè)計與維護M.北京：機械工業(yè)出 版社，2002 程子華，PLC原理與實例分析M.北京：國防工業(yè)出版社，20066高欽和，可編程控制器應(yīng)用技術(shù)和其設(shè)計實例M.北京:高等教育 出版社，2004審查意見系（教研室）主

3、任簽字：年月日目錄1 系統(tǒng)概述 12 方案論證 22.1 PLC系統(tǒng)控制介紹 22.2 總體設(shè)計思路 33 硬件設(shè)計 43.1 系統(tǒng)的原理方框圖 43.2 主電路 53.3 I/O 分配 63.4 I/O 接線圖 63.5 元器件選型 73.5.1 PLC 的選型83.5.2 CD4511 七段數(shù)碼管譯碼器 94 軟件設(shè)計 104.1 主流程 104.2 梯形圖 115 系統(tǒng)調(diào)試 15設(shè)計心得 16參考文獻 181系統(tǒng)概述自動售貨機是能根據(jù)投入的錢幣自動付貨的機器。自動售貨機是商業(yè)自動化的常用設(shè)備，它不受時間、地點的限制，能節(jié)省人力、方便交易。是一種全新的 商業(yè)零售形式，又被稱為24小時營業(yè)的

4、微型超市。能分為三種：飲料自動售貨 機、食品自動售貨機、綜合自動售貨機。自動售貨機最基本的功能是對投入的貨 幣進行運算，并根據(jù)所投入的貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應(yīng)的反映。本次設(shè)計的自動售貨機設(shè)有 6個按鈕，分別可以實現(xiàn)啟動、停止、選擇 三種飲料和退幣六種操作，并且有3個投幣孔，投入的錢的總額和剩余的錢的總 額可以通過外接的兩片LED數(shù)碼管顯示，同時可以根據(jù)消費者投入的總額限制可 購買的商品，可以退回多余的錢幣。本次設(shè)計能很好的完成對自動售貨機的控制， 使用起來快速方便，可以滿足使用者的需求。可編程控制器（PLC是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主 的自動控制裝置；它具

5、有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入 的開關(guān)量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等處理后，以開關(guān) 量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC的發(fā)展與計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了PLC的發(fā)展，而PLC得發(fā)展又對這些高新技術(shù)提出了更高更新的要求，促進了他們的發(fā)展。本次設(shè)計就在于結(jié)合PLC的種種優(yōu)點聯(lián)系實際情況來彌補原有系統(tǒng)的不足，利用PLC控制 的自動售貨機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了自動售貨機能夠長期穩(wěn)定的運行。PLC控制的自動售貨機系統(tǒng)主要有三個可以感受到投幣量的傳感器、六個

6、按鈕開關(guān)（分別為啟動按鈕、停止按鈕、退幣按鈕、汽水選擇按鈕、花茶選擇按鈕 和咖啡選擇按鈕）、三個指示燈（分別為汽水指示燈、花茶指示燈和咖啡指示燈）、 和兩個七段數(shù)碼管。傳感器用來接收投幣信號，傳送投幣量的多少；按鈕開關(guān)分 別對系統(tǒng)功能進行控制，當(dāng)投入的錢幣夠某一種飲料時，按下這種飲料的選擇按 鈕時才會有飲料送出，有剩余錢幣時，還可以通過按下退幣按鈕來找回剩余錢幣； 三個指示燈分別用來只是哪種飲料可以選擇，只有投幣量大于或等于這種飲料的 價格時，這種飲料的指示燈才會亮；同時，還有兩個七段數(shù)碼管，用于顯示當(dāng)前 剩余的總錢幣。具體對自動售貨機的控制要求如下：1自動售貨機有 3個投幣孔，分別為 1元、

7、5元和 10元。2售貨共有 3 種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。3如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣鈕找回余額。4投幣總額或當(dāng)前值顯示在 7 段數(shù)碼管上。5投幣值等于或大于 12 元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。6投幣值等于或大于 15 元時，汽水和花茶指示燈亮， 表示只可選擇汽水和 花茶。7投幣值等于或大于 20元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示 3 種均可 選擇。8按下要飲用的飲料按鈕，則相對應(yīng)的指示燈開始閃爍， 3s 后自動停止， 表示飲料已經(jīng)掉出。9動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于 10 元，則先退 10 元再退 1 元，如果小于 10 元則直接退 1

8、元的。2 方案論證2.1 PLC 控制系統(tǒng)介紹PLC 是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關(guān)量邏輯控制為主，具有存儲控制程 序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入的開關(guān)量(或模擬量)進行邏輯運算、 定時、計數(shù)和算術(shù)運算等處理后，以開關(guān)量(或模擬量)的形式輸出，控制各種 類型的機械或生產(chǎn)過程的自動控制裝置。具有以下特點 :1) 可靠性高，抗干擾能力強；無觸點免配線，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗 干擾措施，適應(yīng)于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境 。2) 編程簡單，容易掌握；采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設(shè) 計相似 。3) 功能完善，靈活方便；不僅有開關(guān)量邏輯控制功能和步進、計數(shù)功能，還 具有模擬量處理、溫度、

9、位置、通信等功能。4) 體積小，質(zhì)量小，能耗低； 采用大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成。圖2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟流程圖2.2 總體設(shè)計思路自動售貨機是可以完成無人自動售貨的商業(yè)自動化設(shè)備。他不受任何場地限制，方便快捷，在我國也越來越普和，傳統(tǒng)的自動售貨采用單片機作為控制核心， 但這樣在輸入輸出接口上消耗很大。PLC不但可以實現(xiàn)類似控制功能，還具有高 可靠性，編程簡單，功能強，能耗低，調(diào)試方便等優(yōu)點。自動售貨機的基本功能 就是對投入的錢幣數(shù)進行計算，然后根據(jù)運算結(jié)果做出相應(yīng)的判斷， 看看哪種商 品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設(shè)計的要求是可識別三種錢幣， 分別是1元、5元、10元，采用三

10、個按鈕進行模擬，自動售貨機共出售三種貨物， 其價格分別定為12元、15元、20元，當(dāng)投幣數(shù)大于等于貨物價格時且售貨機里 有這種貨物時，指示燈亮，表示可以進行購買，三種貨物分別用三個小燈泡代替 進行模擬。除此之外，本次設(shè)計還涉和了了顯示、找零、出貨等功能的實現(xiàn)，其 中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，顯示投幣總數(shù)和購買后的余額；當(dāng)按下找零 按鈕后，數(shù)碼管顯示進行清零退幣，且退幣指示燈閃爍。由于售貨機的全部功能 是在下位機上模擬的，而監(jiān)控是用上位機組態(tài)王進行實時監(jiān)控。 所以售貨機的部 分硬件是由計算機軟件來模擬替代的， 這些并不會影響實際程序的操作，完全能 模擬現(xiàn)實售貨機的運行。圖2.1自動售貨機的順序

11、功能圖3硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)原理方框圖自動售貨機是售汽水、花茶和咖啡這三種飲料，它的售貨過程是：首先由顧客按下商品選擇開關(guān)，然后顧客投入的硬幣（投入硬幣的面值和剩余值由PLC驅(qū)動數(shù)碼管顯示）經(jīng)過光傳感器感應(yīng)，再由光傳感器驅(qū)動硬幣識別傳感器識別硬幣。然后由顧客選擇，同時PLC控制，使PLC的輸出口上有相應(yīng)的信號輸出。最 后輸出飲料。自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖如圖所示：圖3.1自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖3.2 主電路圖3.2自動售貨機的主電路3.3 I/O 分配輸入輸出單元通常也叫I/O單元，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，

12、以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控對 象進行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理的結(jié)果送給被控對象， 以實 現(xiàn)控制目的。此次設(shè)計的PLC控制的自動售貨機控制系統(tǒng)的I/O分配表如下：表3.3自動售貨機I/O分配表輸入輸出輸入點功能輸出點功能X01元投幣孔ST1Y0夠買汽水指示燈X15元投幣孔ST2Y1夠買花茶指示燈X210元投幣孔ST3Y2夠買咖啡指示燈X3選擇汽水SB1Y3Y9數(shù)碼管顯示X4選擇花茶SB2Y10送出汽水X5選擇咖啡SB3Y11送出花茶X6退幣Y12送出咖啡X7啟動Y13退出10元X8停止Y14退出1元3.4 I/O 接線圖根據(jù)要求，將輸出均用指示燈代替，由此繪出 PLC控制電路接

13、線圖，如圖所示。圖3.4自動售貨機I/O接線圖3.5 元器件選型自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數(shù)進行計算， 然后根據(jù)運算結(jié)果做 出相應(yīng)的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設(shè)計 的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬， 自動售貨機共出售3種貨物，其價格分別定為12元、15元、20元，當(dāng)投幣數(shù)大 于等于貨物價格時，該種貨物的指示燈亮，表示可以進行購買，3種貨物分別用3個信號燈進行指示。除此之外，本次設(shè)計還涉和了顯示、找零等功能的實現(xiàn)， 其中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，PLC的外圍接口由兩個CD4511連接兩個數(shù) 碼顯示管，以顯示投幣總數(shù)

14、和購買后的余額； 當(dāng)按下找零按鈕后，數(shù)碼管顯示進行清零。整個系統(tǒng)由三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關(guān)、三個指示燈、和兩個七段數(shù)碼管和兩片 CD4511組成。編程器3.5.1 PLC的選型PLC的硬件主要由中央處理器，存儲器，輸入單元，輸出單元，通信接口， 擴展接口，電源等幾部分組成。其中，CPU是 PLC的核心；輸入/輸出單元是CPU 與現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備之間的接口電路；通信接口用于連接編程器，上位計算機 等外部設(shè)備。現(xiàn)在世界上PLC的生產(chǎn)廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選 擇，目前我國市場上主要的 PLC產(chǎn)品有：西門子公司的S7-400/300/200系列、 施奈德

15、公司的momentun等、還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產(chǎn)品。 西門子公司生產(chǎn)的PLC可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統(tǒng)，造價比較高， 對于小型的自動售貨機的控制系統(tǒng)來說成本過高。相反，目前我國市場上主流的小型的三菱 PLC就比較合適，三菱公司生產(chǎn)的 小型PLC的代表為FX-2N系列的PLC它具有豐富的內(nèi)部資源：程序存儲器具有 16K步的最大存儲容量，128種應(yīng)用指令，還具有184點8進制編號的輸入點數(shù)， 184點 8進制編號的輸出點數(shù)，普通型、掉電保持性和賦予特殊用途型三種內(nèi)部 繼電器，以和狀態(tài)寄存器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、常數(shù)與指針等功能與 資源。可靠性高、造價低，對于自

16、動售貨機的控制中心就特別的合適。因此，本 次設(shè)計采用的PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX-2N系列單片機。3.5.2 CD4511 七段數(shù)碼管譯碼器CD4511是一組用來作為BCD寸共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。其引腳 圖，其各引腳功能如下：LT： 做燈泡測試用， 當(dāng) LT=0， 則不論其它輸入狀態(tài)為何， 其輸出 abcdefg=1111111，使七段顯示器全亮，即顯示 8,以便觀測七段顯示器是否正 常。當(dāng)LT=1，則正常解碼。BI:空白輸入控制，當(dāng)BI=0 (LT為1時) 則不論DCBA之輸入為何，其 輸出 abcdefg 皆為 0，即七段顯示器完全不亮，此腳可供使用者控制僅寸有效數(shù) 據(jù)譯碼，避

17、免在無意義的數(shù)據(jù)輸入時顯示出來造成字型的系亂。LE:數(shù)據(jù)栓鎖致能控制；在 CD4511中，不但具譯碼功能，更具有數(shù)據(jù)栓鎖 的記憶功能。當(dāng)LE=0時(LT=1且BI=1)，DCBA數(shù)據(jù)會被送入IC的緩存器中保 存，以供譯碼器碼；當(dāng) LE=1 時，則 IC 中的暫存器會關(guān)閉，僅保存原來在 LE=0 時的DCBA據(jù)供譯碼器譯碼。換句話說當(dāng)LE=1時，不論DCBA的輸入數(shù)據(jù)為何， 皆不影響其輸出，其輸出 abcdefg 仍保留原來在 LE 由 0 轉(zhuǎn)為 1 以前的資料。4軟件設(shè)計4.1主流程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)流程圖如下:圖4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程圖4.2 梯形圖系統(tǒng)梯形圖如下圖所示:wm皿卜nl.ll<

18、;clmtc<C2lr4<2MDDllJT娥CO1J啞DllN4-稈cuMlN1肌rM)(-rMJ M八XJ-H _L 怕L w _L Hkl:T WT 5系統(tǒng)調(diào)試首先接好系統(tǒng)的硬件電路，然后將梯形圖下載到PLC中，再運行程序。在整 個程序的調(diào)試過程中，我遇到了一些問題，最初的設(shè)計比較簡單，只是將投幣， 購買的過程考慮進去，而沒有將投幣后顯示模塊加進設(shè)計的方案中，后來在仔細閱讀設(shè)計要求后，我又將顯示模塊加進設(shè)計的方案中，用了兩個七段數(shù)碼管和兩 個CD4511七段數(shù)碼管譯碼器構(gòu)成了 PLC的外接顯示部分，這樣投入的總錢幣和 剩余的錢幣數(shù)量就可以在數(shù)碼管上顯示出來。在數(shù)碼顯示的過程中也

19、遇到了一些問題， 數(shù)碼顯示需要兩片七段數(shù)碼管，如 果使PLC直接連接七段數(shù)碼管的話，需要14個輸出，輸出接口過多，系統(tǒng)變得 復(fù)雜化，在查找各方面的資料后，決定采用兩片七段數(shù)碼管譯碼器CD4511來驅(qū)動兩片七段數(shù)碼管，大大減少了輸出點數(shù)，程序運行也簡單得多，數(shù)碼顯示功能 順利實現(xiàn)。在找零階段，按下找零按鈕后直接沒有設(shè)計將數(shù)碼顯示清零功能，后來經(jīng)過思考和仔細探討整個系統(tǒng)，將找零部分又逐步進行了完善，將找零的過程在數(shù)碼 管上顯示了出來，找零時只找兩種錢幣，即 10元的和1元的，先找大面額的10 元的錢幣，后找小面額的1元的錢幣，其內(nèi)部進行減法運算，使得整個找零的過 程清晰可見。經(jīng)過認真的調(diào)試，使整個

20、系統(tǒng)能夠按照要求完成各種工作，F(xiàn)X-2N系列PLC控制的自動售貨機的設(shè)計工作也最終完成。圖5.1自動售貨機調(diào)試圖設(shè)計心得通過這一周的控制系統(tǒng)課程設(shè)計， 可以說感受頗深??！在自己的努力下，最 終完成FX-2N系列PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的設(shè)計。本控制系統(tǒng)就是充分利用了 PLC接口電路芯片以和顯示模塊。實現(xiàn)了對自動售貨機的控制，達到了設(shè)計的 目的。這次設(shè)計的PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括設(shè)計出了硬件系統(tǒng)的 接線圖、梯形圖等；并且系統(tǒng)具有啟動、停止功能；運用功能指令進行PLC控制程序設(shè)計；還進行了系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)自動售貨機的控制要求。這設(shè)計中的酸甜艱 辛與成功的喜悅并不能用言語去表達。與其說完

21、成這次課程設(shè)計，不如說學(xué)會關(guān) 于PLC的一點點皮毛，因為在這一周的時間里，自己可以明顯的感覺到認知的 改變。之前從PLC和工程組態(tài)的老師那了解一些關(guān)于工程上的應(yīng)用，現(xiàn)在通過大 家的課程設(shè)計題目上，可以發(fā)現(xiàn) PLC的確離我們的生活很近。在設(shè)計中運用所學(xué)的理論知識，進行自動售貨機運行原理設(shè)計、 硬件系統(tǒng)設(shè) 計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計，提高理論知識工程應(yīng)用能力、系統(tǒng)調(diào)試能力、分 析問題與解決問題的能力。綜合運用了所學(xué)的知識，理論與實際相結(jié)合，提出并 論證設(shè)計方案，然后進行軟、硬件的設(shè)計、制作與調(diào)試，最后獲得正確的結(jié)果。 加深了對所學(xué)理論知識的鞏固，加強了建立PLC控制工業(yè)機械和生產(chǎn)過程系統(tǒng)的 整體概念，初步掌握了 PLC控制工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的軟、 硬件開發(fā)方法，為以 后進行實際的PLC軟、硬件應(yīng)用開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。 與此同時，也加強了我 們對問題的分析解決能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后的工作做了充分的準(zhǔn)備。 作為一位電氣工程和其自動化專業(yè)的學(xué)生， 控制系統(tǒng)是我們的必修課，怎樣使我 們所控制變得更簡便而又不影響控制效果， 這是我們不論在工作還